有机硅橡胶在医疗行业的应用

作者：Momentive Performance materials公司    来源：Rubber World

欢迎访问e展厅 展厅 4 医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ... 普通硅橡胶（也称为聚二甲基硅氧烷橡胶）是一种全合成聚合物，具有与众不同的分子结构，拥用高键能（Si-O：368千焦/摩尔）的硅-氧原子骨架。聚二甲基硅氧烷橡胶中Si-O的原子间距离是1.64 Å，比Si和O的原子或离子半径的总和大约要小5%。由于存在这种现象以及大约130°的Si-O-Si链角远远大于四面角（109°28’），因此形成硅和氧之间的重要双键特征。这种现象以及分子的几何形状在有机硅的化学性质方面均扮演着十分重要的作用。由于这种开放链结构、环绕Si-O键旋转方便以及从Si-O骨架促使以相对较大的距离将有机官能团（例如聚二甲基硅氧烷橡胶中的甲基）连接到一起的大尺寸硅原子的原因，分子挠性更大，可以形成广泛的配置。 硅橡胶适用于一个巨大的领域，已经找到了进入不同市场领域广泛应用中的技术产品的方式。首批产品已经在60多年前进入市场。硅橡胶由于基于其典型的硅和氧骨架的分子结构原因而具有独特的特性，因此进入市场成为可能。这些独特的特性包括（图1）： ● 与许多有机橡胶一样，不含塑化剂或软化剂，符合2007/19/EC的规定； ● 不含亚硝胺，符合欧盟指令93/11/EEC的要求； ● 不含来源于动物的成分，不存在与疯牛病相关的问题； ● 具有卓越的生物相容性，符合美国药典（USP）分类六和ISO 10993的规定； ● 低变应原，不会造成过敏反应，例如天然橡胶造成的过敏反应； ● 耐高温和化学物品（高达200℃以上）； ● 即使在低温也能维持弹性（低达-60℃以下）； ● 物理特性一般对温度依赖性低； ● 耐蒸汽温度高达135℃。 如有需要，在化合期间通过对硅橡胶聚合物改性或者使用特殊的添加剂，甚至可以改进这些特性。 早期一代硅橡胶使用各种过氧化物作为催化剂启动硅橡胶的硫化。但是，过氧化物反应会在橡胶中留下酸性残余物，如果不通过后期硫化工艺清除，则会在部件表面沉淀粉末或“开花”。虽然仍然使用过氧化物，但是，增加硫化的铂催化硅橡胶已经赢得制造商的广泛接受，因为硫化速率更快，不会有过氧化物开花，并且采用可注射的随时可用的液态形式供货。 采用含有两组分的成套形式向制造商提供铂催化或增加硫化的硅橡胶。这两种组分根据严格规定的比例混合，例如1:1或1:10。这种成套产品含有催化剂、填充剂以及聚二甲基硅氧烷橡胶聚合物。混合这些组分形成了一种可以随时用于硫化工艺的化合物。 与高粘度橡胶（HCR）原材料相比，LSR硅橡胶聚合物的粘度低得多。与采用通常制造有机橡胶的已知技术加工和硫化的HCR橡胶相比，使用改性注射工艺制造LSR，由于粘度更低以及基于铂催化氢化硅烷化反应的反应性更高，方便了制造（图2）。 过去几年，模注硅橡胶部件的市场趋势走向使用液态硅橡胶（LSR），原因在于加工性优良、设计多样、质量卓越以及生产力提高。这是因为： ● 可以在自动生产单元内开展清洁室生产； ● 可以采用256个孔的多腔模具； ● 生产周期短； ● 生产时没有报废部件。 除了以更软的化合物提供以外，与聚氨酯或热塑性弹性体（TPE）相比，有机硅橡胶产品在广泛的温度范围更清洁、更稳定，压缩变形更低。最后，与大多数热塑性弹性体相比，硅橡胶产品的耐化学物品性能增强且消毒选择更多，可以通过乙撑氧、伽玛或电子束照射、蒸汽高压灭菌以及其它各种方法消毒。 医院以及与保健相关的感染 医院感染是由于医院或保健服务单位治疗造成的感染，但排列在患者的原始感染之后。如果住院48小时或以上或者在出院之后30日内首次出现感染，则被认为是医院造成的感染。 与医疗设备相关的医院和保健相关感染（HAI）在全球保健系统中造成了高昂的额外成本。 估计每年欧盟有大约410万名患者发生了与保健相关的感染，估计由于这些感染的直接后果造成的死亡人数至少是3.7万人。 发生的最频繁感染是尿道感染，其次是呼吸道感染、手术后感染、血液感染以及其它感染（包括由于梭菌造成的腹泻）。所有与保健相关的感染中有大约5%的多重耐药性葡萄球菌（MRSA）感染。 大约20~30%的与保健相关的感染被认为是可以通过加强卫生和控制计划预防的。 ◆ 银化合物用作通用抗菌剂 聚二甲基硅氧烷橡胶（HCR和LSR）中使用的典型HAI抗菌剂应具有下列特性： ● 广泛有效，能够抵抗多种细菌； ● 生物相容； ● 不会造成任何抗生素抗性； ● 低浓度含量（ppm含量）有效； ● 在医疗产品的使用寿命期间有效； ● 具有用于医疗应用的历史。 医疗设备制造商正在不断寻找银化合物作为抗菌剂。已知银是最古老的抗菌剂之一，其工作原理是因为病原体不会变异以排除抗菌效应。银采用多种方式发生作用，以中断病原体新陈代谢的重要功能。它与蛋白质或DNA等生物分子的负电荷侧官能团具有极高的亲合力。 原因在于银和硫能够形成极强的键。涉及细菌新陈代谢的几种酶含有氨基酸半胱氨酸，它含有含硫的硫醇官能团（-SH）。粘接到硫上的银能够削弱酶的功能，因此严重窒息细菌。除了影响细胞新陈代谢以外，银还能够影响细胞壁的运动和细胞的繁殖，构成多区域发生作用的模式。粘合反应改变了巨分子的分子结构，使其对于细胞无用。 与特定作用抗生素相比，银及其许多化合物（例如沸石、氧化物、氯化物）的作用更不确定，因为存在取决于剂量的银离子释放原因，因此目前没有已知的细菌耐银文献记载。与其它抗菌剂相比，银化合物具有许多优势： ● 杀菌浓度极低（低达20 ppb）； ● 是一种广谱抗菌剂（可杀灭650种病原体，包括细菌、病毒、菌类以及酵母）； ● 在人体中的毒性低； ● 预计临床暴露风险最低； ● 医疗应用使用历史悠久。 StatSil定制化合平台 由于存在这些特性，已经选择离子银化合物浸入表1和表2中的两种碱性树脂（LSR 4070和Addisil HCR 460）。 ◆ 保健领域用Silopren LSR 4000系列产品 Silopren LSR 4000系列产品（Silopren是Bayer AG公司根据许可证使用的商标）包含硬度位于30至80硬度A之间的广泛液态有机硅橡胶（表1）。 已经根据美国药典（USP）类别六和ISO 10993的选择章节（6、10和11）应用29天以下试验Silopren LSR 4000系列的所有化合物。 因此，该系列产品满足用于医疗设备和医疗应用的所有要求。在4小时/200℃的后期硫化大幅提高了物理特性，例如压缩变形和拉伸强度，并大幅降低了挥发性成分的数量。 ◆ 医疗领域用Addisil系列产品 用于医疗和制药应用的Addisil系列产品（表2）包含硬度位于40至80肖氏硬度A之间的一系列单组分和双组分增加固化高浓密橡胶（HCR）。已经根据美国药典（USP）类别六和ISO 10993的选择章节（6、10和11）应用29天以下试验所有化合物。 单组分系统的有效期是6个月，采用随时可用的混合物供货。 采用Addisil系列产品制造的典型产品是医用管道、蠕动泵管道、导尿管、肠导管、伤口排放系统、肠胃营养系统、静脉注射设备以及输液设备。 ◆ StatSil定制化合物 挑战在于开发一种相容常用催化剂的抗菌配方：基于铂和过氧化物，不会抑制硫化，具有加载水平的需要抗菌效应，对于物理要求影响最小，并相容现有的制造操作和设备。表3显示了基于Silopren LSR 4070的独有定制化合StatSil配方的物理特性。从表3可以看出，存在银抗菌剂对物理特性的影响可以忽略。 StatSil LSR的代表样品已经使用实验室规范（GLP）通过美国药典（USP）类别六（2009年美国药典32国家配方27<88>体内生物反应性试验）以及ISO10993（第6、10和11章）的试验。 ◆ 抗菌效应试验 – AATCC试验方法100-2004 已经试验两种常见的菌株：采用葡萄球菌为格兰氏阳性菌株以及大肠杆菌为格兰氏阴性菌株。 经过修改用于有机硅的试验方法AATCC 100-2004，提供了用于评估抗菌活动程度的量化程序。纺织材料抗菌活动表面处理的评估，是采用旨在用于此类材料的抗菌活动程度确定的。如果只是针对抑菌活动（抑制繁殖），则可以接受明确显示与未处理样本缺乏此类活动相比的抗菌活动的量化程序。但是，如果针对或暗示杀菌活动，则需要量化评估。量化评估还为可能使用此类处理的纺织材料提供了更清晰的印象。 ● 在液体培养基中培养试验微生物； ● 标准化试验微生物的浓度； ● 在无菌营养溶液内稀释微生物培养基； ●将对照和试验织物样本中灌入微生物； ● 灌入时，微生物悬浮液仅接触织物（参见实际方法的详细信息）； ● 通过大量洗提中和豆汤在“时间零”确定对照和试验织物上的细菌浓度，之后稀释并涂布； ● 开展对照，以确认中和/洗提方法有效中和织物中的抗菌剂； ● 允许采用额外灌入对照和试验织物进行灌入，在密封广口瓶内放置24小时，不要干扰； ● 在灌入之后，确定微生物的浓度； ● 计算相对于最初浓度和对照织物的微生物减少情况 结果与讨论 将StatSil LSR 4470用于格兰氏阳性和格兰氏阴性菌株，在72小时之内达到了>Log4的杀灭系数或者>99.99%或以上的细菌增长降低率，但是，从图3和图4可以看出，盲对照样品（Silopren LSR 4070）显示不具有任何抑菌效应。 如果未采用严格的杀菌或清洁步骤，则抗菌效应将在医疗设备用品的使用寿命期间有效（<29天）。建议使用黑色颜料对抗菌用品涂上颜色，以隐藏随着时间出现的发黄现象。 要求开展临床研究，以确定抗菌处理是否会降低微生物负载风险。 可以根据客户的独特要求以及基于环境条件的定制解决方案量身定制StatSil产品，可以提供LSR和HCR两种选择产品。一家导管制造商最近已经取得其医疗设备的FDA 510k批准，也证明针对四种菌株的杀灭系数>Log4。目前正在试验一种用于医院应用的StatSil HCR 460化合物。(end)

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